论文总字数：23585字

摘 要

随着电信技术、计算机技术和机械技术等领域的发展，数控雕刻机在制造加工业中扮演着越来越重要的角色。微电子技术和信息技术的发展，使得小型化且低成本的数控雕刻机成为可能。本文介绍了一款基于单片机的雕刻机的设计过程。通过分析数控雕刻机的发展历史和研究现状，从雕刻机的机械结构设计、硬件结构设计和软件结构设计三方面对雕刻机设计进行了研究。

本文中，雕刻机使用了单片机加上位机的系统架构。对于雕刻机的机械部分设计，本文直接选择购买了市场上提供的亚克力机架产品进行拼接。雕刻机装配了装有激光头驱动的低功率激光头以实现激光雕刻。利用废旧DVD-ROM驱动器中的步进电机设置了X轴和Y轴两条导轨。雕刻机的硬件电路部分根据设计的电路连接图，采用Arduino单片机作为雕刻机控制板，连接A4988步进电机驱动芯片进行步进电机的运动控制，使用12V的直流适配器为步进电机电源供电。雕刻机的软件架构部分中，上位机中利用配套软件设置了雕刻机的Grbl参数，并用于处理图案转换为G代码，然后通过USB接口传递给了下位机。同时还设计了一个基于Android系统的APP软件，能够实现汉字转化G代码的功能。下位机Arduino板中下载了Grbl固件用于解析G代码控制雕刻机机床加工。

经过硬件平台的测试结果验证，该雕刻机系统基本实现了数控雕刻机功能且能达到基本要求，完成了低成本且功能完善的任务要求。

关键词：单片机、雕刻机、数控指令代码

Abstract

This article describes a engraving machine based on MCU. By analyzing the development history and research of CNC engraving machines, the design of engraving machine is divided to three aspects: mechanical structure design, hardware structure design and software structure design.

In this paper, the system architecture of the engraving machine is consist of MCU and PC. The machine is a gantry engraving machine with X and Y axis, and it uses low-power red laser head for carving. The engraving machine frame is made of acrylic material. The engraving machine uses Arduino as its control board, while using A4988 stepper motor drive chip for stepper motor motion control. For the software architecture part, the computer transforms pictures to G code, and MCU receive G code data via the USB cable from PC. Then MCU analyzes the G code to control the mechanical part of the engraving machine to conduct engraving function.What’s more, an APP based on Android system is designed. This APP can transform Chinese characters into G code.

Finally, the engraving machine system can realise the basic functions of CNC engraving machine and can meet the basic requirements, completing the task requirement of a low-cost and functional engraving machine.

Key word：MCU、engraving machine、G code

目 录

摘要……..………………………………………………………………………………………………….I

Abstract………………………………….………………………………… …… ………………...…….II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2选题意义和背景 1

1.3数控雕刻机技术 2

1.3.1数控雕刻机发展历史 2

1.3.2数控雕刻机研究现状 3

1.3.3主要工作内容 4

1.4论文结构 4

第二章 雕刻机系统组成和工作流程 5

2.1概述 5

2.2雕刻机加工流程 5

第三章 雕刻机系统总体设计方案 7

3.1雕刻机机械结构设计 7

3.1.1加工工具选择 8

3.1.2导轨设置 8

3.1.3机械结构具体实现 9

3.2雕刻机硬件结构设计 10

3.2.1控制板电路设计 11

3.2.2步进电机驱动设计 12

3.2.3控制板周边电路连接 13

3.3雕刻机软件结构设计 13

3.3.1下位机软件部分 14

3.3.2上位机软件部分 15

3.4Android APP软件设计 17

3.4.1文字雕刻模块 17

3.5小结 19

第四章 测试与实验结果分析 20

第五章 总结与展望 22

5.1全文总结 22

5.2展望 22

参考文献………………………………………………………………………………………………..24

致谢……………………………………………………………………………………………………...25

第一章 绪论

1.1引言

雕刻加工是一种传统手工工艺，在艺术品、标牌、首饰等行业具有悠久的历史^[1]。最早的时候，雕刻技术作为一门手工技艺主要是由师傅带徒弟的形式传承延续，而作为一名合格的雕刻技师出师是需要长时间的学习和磨练的。同时因为一件雕刻品的完成完全依靠人力操作这也导致了雕刻品的制作周期漫长，生产成本也高。而且雕刻师傅的能力水平也会对成品的质量水平产生巨大的影响。随着社会和科技发展，雕刻技术除了在一些传统的需要雕刻的行业如工艺品和首饰制作中仍然占有一席之地，而且还在不断升级换代，在一些新发展出来的行业中也离不开雕刻技术。日常生活中一些生活用品的模具制作也应用到了雕刻技术，而且这种需要大批量工业化生产的行业，高效率和标准化影响着市场竞争力，雕刻加工逐渐向自动化方向发展。

进入电气时代后，机械技术和计算机技术等领域不断发展。人们利用这些新技术将雕刻从传统的手工制作方式升级为雕刻机的机械操作，再从机械操作的雕刻机升级至能够真正解放双手的自动控制雕刻机。最后出现了数控雕刻机，逐渐成为控制领域的主要组成之一。20世纪后，数控雕刻机逐渐向产品细分化，操作简单化，公司规模化和服务体系化的方向发展^[2]。各种新型材料和新兴技术的出现和发展，使得雕刻技术拥有了越来越大的应用空间，成为各种产品工业化生产过程中不可或缺的一环。并且在微电子技术和数控技术的带动下，雕刻机的控制系统也不断改善和提升。能够生产出拥有完善功能而且正常运行稳定的雕刻机，同时减少生产成本降低价格，采用更加美观的造型设计以吸引更多的顾客已经是现代数控雕刻机设计的追求方向。

1.2选题意义和背景

雕刻作为一门拥有悠久历史的传统工艺，在艺术领域有着极其广泛的研究和应用。在科技高速发展的现代社会，雕刻技术也在越来越多的领域里发挥着作用，雕刻机作为一种自动化控制设备在许多工业化生产中普及应用。可以说，现代社会工业生产的大大小小方方面面都离不开雕刻技术的使用。

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